換熱管結(jié)構(gòu)參數(shù)對車用散熱器性能的影響

孔喜磊

摘要：為提高汽車散熱器的性能，建立了散熱器的二維換熱穩(wěn)態(tài)模型，研究了換熱管迎風側(cè)結(jié)構(gòu)參數(shù)（長短軸比）變化對散熱器換熱性能的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：隨著換熱管迎風側(cè)長短軸比的增加，換熱管表面換熱能力略有下降，但換熱面積明顯增加，使散熱器總換熱量增加，散熱器的換熱性能提升。當長短軸比由1.0增加到2.0時，表面平均換熱能力由5664.16W/m2降低到5623.57W/m2。

關(guān)鍵詞：散熱器;換熱管結(jié)構(gòu)參數(shù);長短軸比;換熱性能

0 ?引言

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的多樣化發(fā)展，汽車發(fā)動機功率越來越大，發(fā)動機熱負荷逐漸增大。在發(fā)動機工作期間，最高的燃燒溫度可達到2500℃以上，在發(fā)動機怠速或者中等轉(zhuǎn)速時，燃燒室的平均溫度也可達1000℃以上。散熱器作為汽車冷卻系統(tǒng)的核心組成部分，承擔了整個發(fā)動機的散熱工作，將發(fā)動機無法轉(zhuǎn)化為機械能而產(chǎn)生的熱能及時釋放，使發(fā)動機維持在一個相對穩(wěn)定的適當?shù)墓ぷ鳒囟确秶?，因此散熱器的?yōu)化必將推動冷卻系統(tǒng)的整體優(yōu)化升級，為整車性能的提高提供了強力支持，提高汽車在復雜工況下工作的能力[1]。

在散熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方面，王艷梅[2]模擬了裝配式散熱器散熱管和散熱片的傳熱過程，得到了散熱效果最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并進行風洞實驗驗證了數(shù)值模擬結(jié)果的正確性。MátéPetrik[3]研究了跨流式氣液翅片換熱器性能的參數(shù)，結(jié)果表明，影響散熱器性能的主要參數(shù)是散熱器寬度和翅片參數(shù)。鄭明強[4]對散熱器百葉窗其開窗角度、間距及厚度等參數(shù)進行了組合模擬仿真優(yōu)化，使其換熱系數(shù)、進出口壓降、綜合換熱性能均得到有效改善，這為中冷器的優(yōu)化提供了設(shè)計參考。Moon M A[5]計算了帶有針翅的矩形通道內(nèi)的換熱和摩擦損失，并與圓形針翅的換熱和摩擦損失進行了比較，結(jié)果表明，扇形針翅與圓形針翅和參考針翅相比，扇形針翅在傳熱和壓降方面都有所改進。潘岸[6]建立了管帶式散熱器的局部翅片和整體散熱器三維模型，對散熱器翅片結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，結(jié)果表明，翅片結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，空氣側(cè)壓降基本不變，散熱量提升了11.6%。施渺[7]以平直翅片熱管散熱器為研究對象，研究了翅片厚度、間距、高度、寬度和熱管直徑等參數(shù)對翅片流動換熱性能的影響，獲得了散熱器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，分析了主要影響因素，對工程應(yīng)用具有一定的指導意義。

綜上所述，在散熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面大部分學者重點研究了散熱器百葉窗厚度、間距、高度、寬度和角度等參數(shù)對散熱系統(tǒng)性能的影響，而對單一換熱管結(jié)構(gòu)參數(shù)對散熱性能的影響缺乏系統(tǒng)性研究。因此，本文以單一換熱管為研究對象，分析迎風側(cè)長短軸比變化對散熱器換熱性能的影響規(guī)律，為散熱器結(jié)構(gòu)改進提供理論支撐。

1 ?模型的建立

換熱管采用鋁材，壁厚為0.5mm，換熱管之間的間隙為3mm，管內(nèi)流體的二維寬度是1.5mm，為使外側(cè)介質(zhì)與鋁結(jié)構(gòu)體有充分的熱交換，冷卻流體迎風側(cè)空間取5mm，冷卻流體后側(cè)空間取10mm[8]。簡化的換熱管是軸對稱結(jié)構(gòu)，所以構(gòu)建物理模型時建立了換熱管二分之一模型，基本結(jié)構(gòu)如圖1。單一換熱管的冷卻過程可表示為流動-傳熱過程，模型的數(shù)學描寫方程請參見文獻[4]和[8]。

計算模型的初始條件和邊界條件設(shè)定如表1所示。本文選取換熱管迎風側(cè)核心結(jié)構(gòu)參數(shù)長短軸比為變化參數(shù)（如圖2），研究范圍選取1.0、1.2、1.4、1.6、1.8和2.0。

2 ?結(jié)果與分析

圖3為長短軸比變化對換熱管表面壓力的影響（取X表示換熱管不同位置到入口處的距離，單位：m，下同），由圖3可知：在空氣流經(jīng)長徑的頂端X=0.005時，受換熱管正面阻擋，使得其壓力驟降;在空氣流到X=0.01時，綜合影響最小，迎風側(cè)結(jié)構(gòu)形狀對空氣流動的作用在此處基本消失;隨著空氣在表面的流動，空氣受換熱管的加熱作用影響，壓力開始呈現(xiàn)線性變化并且最后到達峰值;在到達換熱管后部，在空氣流通區(qū)域突然變大和換熱管對空氣加熱的相互作用下，表面壓力開始上升。隨著換熱管長短軸比的增大，換熱管與空氣的交界位置的壓力都在大幅度的升高，迎風側(cè)結(jié)構(gòu)的變化使流入的氣流對換熱管的沖刷強度下降，交界處不同位置的流動變化導致壓力的變化。

圖4為長短軸比變化對換熱管表面溫度的影響，換熱管內(nèi)壁面溫度為353K，由圖4可知：在空氣入口處的溫度變化最大，空氣沖擊迎風側(cè)，氣流強度高，故氣流對換熱管外的冷卻效果最好的;隨著換熱管結(jié)構(gòu)的變化，到達直線結(jié)構(gòu)之前，氣流強度變化，散熱器管的冷卻能力驟降，使得交界處上側(cè)溫度升高;在水平邊界上，散熱效果主要受流動空氣的溫度影響，但是空氣在流動過程中是在持續(xù)和換熱管進行熱量交換，引起溫度不斷升高，因此對換熱管的冷卻效果變差，交界處溫度緩慢升高;在換熱管背風側(cè)時，已經(jīng)被加熱溫度變高的空氣、流通范圍變大和后側(cè)空氣的回流三個因素導致表面溫度出現(xiàn)波動。

圖5為長短軸比變化對換熱管表面換熱量的影響，由圖5可知：在入口處受到空氣溫度和氣流流動路徑變化的綜合影響，散熱效果最好，此時的換熱量最多;在流經(jīng)換熱管水平表面時，換熱管上側(cè)空氣流動趨于穩(wěn)定，換熱量的影響主要受到空氣溫度ΔT的影響，散熱量的變化呈現(xiàn)出一條穩(wěn)定的曲線;在換熱管背風側(cè)形狀的變化使高速流動的空氣與換熱管尾部未能進行充分的接觸，換熱管表面換熱量急劇減少。隨著長短軸比的增大，換熱管入口空氣受到的結(jié)構(gòu)阻力減小，迎風側(cè)的換熱量明顯降低;在換熱管中后側(cè)，換熱管長徑與短徑比增加，換熱管表面溫度和交界處的溫差變大，換熱量開始增加。

圖6為長短軸比變化對換熱管表面換熱能力的影響。由圖6可知：隨著長短軸比增加，換熱管表面平均換熱能力略有下降。這是因為隨著長短軸比的增加，換熱管迎風面結(jié)構(gòu)驟變程度下降，對空氣流線的改變程度下降，從而減少了氣體分子與換熱壁面之間碰撞的幾率，從而使換熱強度略有下降。但是由于長短軸比的增加使換熱管迎風面換熱面積明顯增加，從而使散熱器的整體換熱量增加，散熱器性能提升。

3 ?結(jié)論

隨著換熱管迎風側(cè)長短軸比的增加，在交界處總體有利于散熱的進行，空氣對換熱管迎風側(cè)的沖刷是影響迎風側(cè)換熱的主要因素，長短軸比的改變引起迎風側(cè)結(jié)構(gòu)變化，迎風側(cè)結(jié)構(gòu)改變直接影響換熱效果。隨著換熱管迎風側(cè)長短軸比的增加，換熱管表面換熱能力略有下降，但換熱面積明顯增加，使散熱器總換熱量增加，散熱器的換熱性能提升。當長短軸比由1.0增加到2.0時，表面平均換熱能力由5664.16W/m2降低到5623.57W/m2。

參考文獻：

[1]Mao S， Cheng C， Li X， et al. Thermal/structural analysis of radiators for heavy-duty trucks[J]. Applied Thermal Engineering， 2010， 30（11-12）： 1438-1446.

[2]王艷梅.車用裝配式散熱器散熱管和散熱片的結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D].貴州大學，2016.

[3]MátéPetrik， GáborSzepesi， KárolyJármai. Theoretical and Parametric Investigation of an Automobile Radiator[J]. 2017.

[4]鄭明強.基于CFD技術(shù)的汽車中冷器性能分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D].貴州大學，2016.

[5]Moon M A， Kim K Y . Analysis and optimization of fan-shaped pin-fin in a rectangular cooling channel[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2014， 72（may）： 148-162.

[6]潘岸，劉向農(nóng)，鄭志華，李偉.車用散熱器百葉窗翅片結(jié)構(gòu)仿真優(yōu)化[J].低溫與超導，2020，48（03）：94-98.

[7]施渺，杜江偉，余小玲，廖梓璜，譚又博.平直翅片熱管散熱器的正交數(shù)值模擬優(yōu)化[J].電子機械工程，2020，36（02）：14-18.

[8]潘偉東，巫江虹.基于Fluent軟件的汽車散熱器雙側(cè)三維數(shù)值模擬[J].制冷，2007（01）：78-82.